CN101565308A - 氮化硼纳米管增强的氮化硅陶瓷及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种氮化硼纳米管增强的氮化硅陶瓷，其由以下质量比的成分组成，氮化硼纳米管∶氮化硅∶烧结助剂∶玛瑙球磨球＝0.25～5∶89.75～85∶10∶700；其中，由氮化硼纳米管、氮化硅和烧结助剂组成的混合粉料与玛瑙球磨球的质量比始终为1∶7。本发明同时还公开前述了氮化硅陶瓷的制备工艺，包括以下步骤：A.按要求称取各成分；B.将称好的材料球磨；C.将球磨后的混合粉料置于石墨模具中，并将石墨模具放置于多功能烧结炉中烧结；D.保温，然后自然冷却到室温；E.制备成品。采用本发明制备的产品的弯曲强度达到773.1MPa，是纯氮化硅陶瓷弯曲强度的2.1倍；断裂韧性达到11.37MPa·m^1/2，比纯氮化硅陶瓷提高了46％。

Description

氮化硼纳米管增强的氮化硅陶瓷及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种氮化硅陶瓷及其制备方法，尤其是一种氮化硼纳米管增强的氮化硅陶瓷及其制备方法。

背景技术

目前，氮化硼纳米管具有高的化学稳定性和抗氧化性能，还具有宽能隙(约为5.5eV)，而且其电学性能不受直径和手性的影响，使它在高温、高强度纤维、半导体材料等方面，尤其在陶瓷材料的强度韧化方面有着比碳纳米管更可能的实用性。

氮化硅陶瓷具有较好的抗热震性能，电绝缘性以及优良的化学稳定性。氮化硅陶瓷作为一种结构陶瓷，广泛的应用于耐热，耐腐蚀，以及耐磨零部件，同时在热机材料，切削工具，高级耐火材料等方面也有着普遍的应用。但是，氮化硅陶瓷也具有陶瓷材料所共有的脆性。目前陶瓷材料应用较多的碳纳米管韧化由于碳纳米管的高温氧化而使其应用具有一定的局限性，同时碳纳米管在高温下容易与基体材料发生反应从而降低了韧化效果。

发明内容

本发明的目的是为克服碳纳米管增韧技术的不足，提供一种成本较低，制备工艺稳定，操作处理简单，生产效率高，产品性能好的氮化硼纳米管增强的氮化硅陶瓷及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种氮化硼纳米管增强的氮化硅陶瓷，其由以下质量比的成分组成，氮化硼纳米管∶氮化硅∶烧结助剂∶玛瑙球磨球＝0.25～5∶89.75～85∶10∶700；其中，由氮化硼纳米管、氮化硅和烧结助剂组成的混合粉料与玛瑙球磨球的质量比始终为1∶7。

所述烧结助剂由氧化铝和氧化钇组成，前述两者的质量比为3∶2.

一种氮化硼纳米管增强的氮化硅陶瓷的制备方法，包括以下步骤：

A.称取材料，按要求用天平分别称取氮化硼纳米管、氮化硅、烧结助剂和玛瑙球磨球；

B.球磨，将步骤A中称好的材料分别装入行星式球磨罐中进行球磨；

C.烧结，将步骤B中球磨后的混合粉料置于石墨模具中，并将石墨模具放置于多功能烧结炉中烧结；

D.保温、冷却，将步骤C中的石墨模具在多功能烧结炉中保温45±5分钟后停止加热，使石墨模具在多功能烧结炉中自然冷却到室温；

E.制备成品，将步骤D中烧结好的陶瓷块经磨削、切割工艺得到成品。

所述步骤B中球磨的工艺参数为：在室温下行星式球磨罐的转速为300±10r/min，球磨时间为10±1小时。

所述步骤C中烧结的工艺参数为：以20±1℃/min升温至1750±10℃，加压25±1Mpa。

本发明步骤C中的石墨模具和多功能烧结炉均是现有设备，例如日本富士电波公司生产的FVPHP-R-5，规格FRET-20。

本发明有益效果是：使用的设备简单而且安全性好，成本较低，制备工艺稳定，操作处理简单，生产效率高。产品性能好，氮化硼纳米管增强的氮化硅陶瓷的弯曲强度达到773.1MPa，是纯氮化硅陶瓷弯曲强度的2.1倍；断裂韧性达到11.37Mpa·m^1/2，比纯氮化硅陶瓷提高了46％。

附图说明

图1(a)、图1(b)、图1(c)分别为样品的扫描电镜形貌图；

图2为氮化硼纳米管增强样品的弯曲强度曲线；

图3为氮化硼纳米管增强样品的断裂韧性曲线；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1(a)为31.5g氮化硅和3.5g烧结助剂(其中2.1g氧化铝，1.4g氧化钇)；图1(b)为0.7g氮化硼纳米管，30.8g氮化硅和3.5g烧结助剂(其中2.1g氧化铝，1.4g氧化钇)；图1(c)为1.75g氮化硼纳米管，29.75g氮化硅和3.5g烧结助剂(其中2.1g氧化铝，1.4g氧化钇)，均在1750℃，25Mpa下进行热压烧结，保温45分钟后制得的复合材料的断口形貌图。从图1(a)的照片中可以看出材料结晶良好，烧结致密。随着纳米管的加入量，从图1(b)可以看出氮化硼纳米管分布在晶界上及晶粒上。氮化硼纳米管在裂纹扩展过程中，由于其较好的机械性能能够阻止裂纹的继续扩展，或者产生裂纹的偏转，纳米管的拔出以及在断裂处的桥连。这些分布方式均能够消耗裂纹扩展的能量，从而有效的提高材料的性能。当纳米管加入量过多时，其在基体中的分散度变差，产生团聚，导致材料性能下降，如图1(c)所示。

图2和图3是样品的弯曲强度和断裂韧性的变化曲线。从图中可以看出，相比于纯氮化硅，复合材料的力学性能有了提高。氮化硼纳米管含量为0.25wt.％的样品达到最高的断裂韧性值，11.37MPa·m1/2，比纯氮化硅提高了46％(约为7.79MPa·m1/2)。氮化硼纳米管含量为2.0wt.％时，弯曲强度达到最大值773.1MPa，是纯氮化硅陶瓷弯曲强度的2.1倍(约为246.2MPa)。

实施例1：以氮化硼纳米管作增强相、以氮化硅作基体，氧化铝和氧化钇作烧结助剂经热压烧结制备氮化硅陶瓷。用天平称取0.0875g氮化硼纳米管，31.4125g氮化硅和3.5g烧结助剂(其中2.1g氧化铝，1.4g氧化钇)，245g玛瑙球磨球装入行星式球磨罐中。室温下行星式球磨罐转速300r/min，球磨10小时。将球磨后的混合粉料置于直径为42mm的石墨模具中，在多功能烧结炉中以20℃/min升温至1750℃，加压25Mpa进行烧结，保温45分钟后停止加热，使其在炉中自然冷却到室温。将烧结好的陶瓷块经磨削，切割等工艺得到成品。

实施例2：以氮化硼纳米管作增强相、以氮化硅作基体，氧化铝和氧化钇作烧结助剂经热压烧结制备氮化硅陶瓷。用天平称取0.7g氮化硼纳米管，30.8g氮化硅和3.5g烧结助剂(其中2.1g氧化铝，1.4g氧化钇)，245g玛瑙球磨球装入行星式球磨罐中。室温下行星式球磨罐转速290r/min，球磨9小时。将球磨后的混合粉料置于直径为42mm的石墨模具中，在多功能烧结炉中以19℃/min升温至1740℃，加压24Mpa进行烧结，保温40分钟后停止加热，使其在炉中自然冷却到室温。将烧结好的陶瓷块经磨削，切割等工艺得到成品。

实施例3：以氮化硼纳米管作增强相、以氮化硅作基体，氧化铝和氧化钇作烧结助剂经热压烧结制备氮化硅陶瓷。用天平称取1.75g氮化硼纳米管，29.75g氮化硅和3.5g烧结助剂(其中2.1g氧化铝，1.4g氧化钇)，245g玛瑙球磨球装入行星式球磨罐中。室温下行星式球磨罐转速310r/min，球磨11小时。将球磨后的混合粉料置于直径为42mm的石墨模具中，在多功能烧结炉中以21℃/min升温至1760℃，加压26Mpa进行烧结，保温50分钟后停止加热，使其在炉中自然冷却到室温。将烧结好的陶瓷块经磨削，切割等工艺得到成品。

实施例4：以氮化硼纳米管作增强相、以氮化硅作基体，氧化铝和氧化钇作烧结助剂经热压烧结制备氮化硅陶瓷。用天平称取0.35g氮化硼纳米管，31.15g氮化硅和3.5g烧结助剂(其中2.1g氧化铝，1.4g氧化钇)，245g玛瑙球磨球装入行星式球磨罐中。室温下行星式球磨罐转速300r/min，球磨11小时。将球磨后的混合粉料置于直径为42mm的石墨模具中，在多功能烧结炉中以19℃/min升温至1750℃，加压26Mpa进行烧结，保温48分钟后停止加热，使其在炉中自然冷却到室温。将烧结好的陶瓷块经磨削，切割等工艺得到成品。

Claims (5)

1.一种氮化硼纳米管增强的氮化硅陶瓷，其特征在于：其由以下质量比的成分组成，氮化硼纳米管∶氮化硅∶烧结助剂∶玛瑙球磨球＝0.25～5∶89.75～85∶10∶700；其中，由氮化硼纳米管、氮化硅和烧结助剂组成的混合粉料与玛瑙球磨球的质量比始终为1∶7。

2.根据权利要求1所述的氮化硼纳米管增强的氮化硅陶瓷，其特征在于：所述烧结助剂由氧化铝和氧化钇组成，前述两者的质量比为3∶2。

3.一种根据权利要求1所述的氮化硼纳米管增强的氮化硅陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

A.称取材料，按要求用天平分别称取氮化硼纳米管、氮化硅、烧结助剂和玛瑙球磨球；

B.球磨，将步骤A中称好的材料分别装入行星式球磨罐中进行球磨；

C.烧结，将步骤B中球磨后的混合粉料置于石墨模具中，并将石墨模具放置于多功能烧结炉中烧结；

D.保温、冷却，将步骤C中的石墨模具在多功能烧结炉中保温45±5分钟后停止加热，使石墨模具在多功能烧结炉中自然冷却到室温；

E.制备成品，将步骤D中烧结好的陶瓷块经磨削、切割工艺得到成品。

4.根据权利要求3所述的氮化硼纳米管增强的氮化硅陶瓷的制备方法，其特征在于：所述步骤B中球磨的工艺参数为：在室温下行星式球磨罐的转速为300±10r/min，球磨时间为10±1小时。

5.根据权利要求3所述的氮化硼纳米管增强的氮化硅陶瓷的制备方法，其特征在于：所述步骤C中烧结的工艺参数为：以20±1℃/min升温至1750±10℃，加压25±1Mpa。

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